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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 要是存在力场就好了
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怎么才能降低风险呢？防护，大量的防护。宇宙射线比太阳辐射能量更大。从根本上说，它移动得更快；其中一些原子，如铁原子核，比太阳风中的质子和电子要重得多。铁原子核的能量是氢原子核的数百倍，因为氢原子核里 就一个质子。没有什么比脆弱的屏蔽更加糟糕的，因为二级级联粒子就像飞溅的弹片一样，杀伤范围更广。宇宙飞船那层薄薄的金属，仅仅是对宇宙射线的撞击起到了散射作用，把一颗快速子弹变成了几十颗速度稍慢的子弹而已。飞船需要厚厚的防护，厚到什么程度，是一个简单的物理——和经济——问题（你记住这个等式：厚度等于质量，质量等于金钱）。
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几厘米厚的铅就可以。但这将使任务的载重增加数百吨，因此要多花数十亿美元。水可以提供有效的防护。无论如何，我们都需要带上水。因此，工程师们正在研究一个方案，将包裹整个飞船的外壳充满水。但是，保护一艘尺寸足以将乘组送往火星的飞船，需要大量的水——也就是说，远远多于你需要饮用的水。你也可以用废弃物作为额外的保护。虽然材料有限，但这一招很管用。一种质量很小、非常有效的防护物是氢气，但你需要高压舱室来装氢气，而带上太多的质量，又会把我们带回到那个等式里。
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答案是有可能采用组合的方法来解决防护问题，使防护材料具有双重作用。在这方面，氢化氮化硼纳米管（BNNT）显示出巨大潜力。[22] 这些管子由碳、硼和氮制成，非常轻，能够承受热量和压力，而且足够坚固，可以作为整个航天器的主要承重结构。这些管子可以充入氢气或水，作为主要的辐射防护。硼可以很好地吸收二级中子，使辐射级联效应最小化。与碳纳米管一样，BNNT目前价格昂贵，但在不久的将来价格可能会降下来。如果不能整艘飞船都使用这样的防护罩，那么只在睡觉的舱室使用可能也可以。如果宇航员每天睡觉或休息8小时，就能把辐射暴露有效地减少1/3。虽然我们无法得到与地球一样的完善保护，但部分保护措施也能降低健康风险，缓解所有人的担忧。
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位于瑞士的欧洲核子研究组织（Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire，CERN）的研究人员正在研究一种磁场，这种磁场可以用作微型磁层，使宇宙射线产生自然偏转。2014年，欧洲核子研究组织打破了一项纪录，在24开尔文（约-249℃）的温度下，在一条由两条20米长的二硼化镁（MgB2 ）超导体电缆组成的电力传输线中产生了2万安培的电流。这预示着在地球上可以进行更便宜、更可靠的电力传输。与此同时，欧洲核子研究组织还参加了欧洲太空辐射超导防护（European Space Radiation Superconducting Shield）项目，将该技术应用于航天器和太空栖息地。该项目的目标是创造一个强度为地球磁场3000倍的磁场，其直径为10米，可以保护飞船内和飞船外的宇航员。欧洲核子研究组织正在研究采用二硼化镁超导带重构太空电子线圈的方法。
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所有这些东西，也就是这些神奇的材料和力场，投入应用还需要几年的时间。近期还没有解决宇宙射线问题的办法，只有希望它不会像实验室研究预测的那样糟糕。
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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 急诊外科
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如果你的阑尾在去火星的途中破裂了怎么办？撤回地球是不可能的。乘组里肯定会有一名医生，希望不是他或她的阑尾发炎了。地球上治疗阑尾炎的标准方法是阑尾切除术。抗生素疗法只有在阑尾尚未破裂的情况下才有效，即便如此，这种治疗方法也有其局限性。然而，即使是熟练的外科医 生也很难在零重力或部分重力的情况下进行手术。在没有重力的情况下，血液会雾化，形成雾气。组织密度、血流量和麻醉都会不同，即使再熟练的外科医生也会变成新手。如果你完成了手术，太空中的伤口愈合又是另一个变数。全球每年有1100多万个阑尾炎病例，造成5万多人死亡，其中大部分是由于缺乏及时治疗。[23] 阑尾发炎后大约一半时间内，几乎没有什么征兆。在为期3年的任务中，6位乘组人员中的某一位患上阑尾炎的可能性很高，因此NASA和ESA的一些人建议在飞行前摘除宇航员健康的阑尾，以此作为一种预防措施。
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这个术语叫作预防性手术，并不局限于大部分可切除的阑尾。长有智齿的任何人如果想成为乘组人员，都必须将智齿摘除，以免在长期任务中出现问题。一些医生还主张切除健康的胆囊，以预防胆囊炎。其他的担忧包括胰腺炎、憩室炎、消化性溃疡和肠梗阻，但是你无法移除与这些潜在致命疾病相关的器官。[24] 不过有一点十分肯定：在你离开地球之前，你会接受结肠镜检查。
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我们可以预期，在太空飞行期间人们的免疫功能会下降，这一事实放大了各种风险。乘组成员可能会经历病毒复活，比如疱疹复发。我们之前提到的北极和南极探险中就有先例。由于严重受伤或骨折而感染的肢体可能需要截肢，这在21世纪听起来似乎很粗暴。让事情变得更复杂的是，宇 航员冒险进入距离地球数光分或光时的太空后，他们与任务控制中心的通信就不是无缝的了，会出现数分钟或数小时的延时。飞船上的医生或医务人员需要依靠自己的智慧和某种虚拟伴侣，比如机器人或先进的医疗软件。我们一下子又回到了之前的医学时代，因为太空中的标准治疗可能就是观察和等待。
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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 双胞胎研究
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保持美国在轨居留最长时间纪录的宇航员，其同卵双胞胎的哥哥竟然也是宇航员，不过他的哥哥在太空只待过很短的时间。鉴于有幸进入太空的人只是极少数——地球70亿人口中只有不到700人，这简直就是一个数学奇迹。这一巧合使NASA能够进行一项有关长期失重影响的研究，被称作“双胞胎研究”（Twins Study）。的确，我们已经证实失重对健康是有害的。但是，如果知道或许可以从长期零重力造成的健康影响中恢复过来，你可能又会感到一些安慰。
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这项机缘巧合的研究对象是斯科特·凯利（Scott Kelly）和马克·凯利（Mark Kelly）。两人1964年出生，1996年被NASA选为宇航员。马克执行过4次航天飞机任务，在太空中度过了54天。他于2011年退休，理由是需要照顾妻子——美国前众议员加布里埃尔·吉福兹（Gabrielle Giffords）。2011年，吉福兹在图森市附近险遭暗杀，受到枪击，造成严重的脑损伤。斯科特·凯利，2016年退休，总计在太空度过了520天，其中包括从2012年11月起在ISS执行了为期一年的任务，在太空连续停留了342天。该项目研究了斯科特在太空中长达一年的时间里的生理和心理状况，并将数据与地球上的对照者马克的数据进行了比较。2019年4月，一个基本独立的、非N ASA研究团队公布了他们的最终研究结果。以下是他们的发现。
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斯科特在太空经历的大部分生理变化几乎都恢复到了飞行前的状态。一些变化在着陆后数小时或数天内就恢复到基准水平，但少数变化在6个月后仍然存在。斯科特身上的微生物群在太空中发生了巨大变化，但在一年内又恢复到了飞行前的状态。通过测量大量的代谢物、细胞因子和蛋白质数据，研究人员了解到斯科特在太空的一年，经受了缺氧应激、炎症加剧以及剧烈的营养变化。这一切都对基因表达产生了影响。斯科特的端粒，也就是染色体的末端，应该随着年龄的增长缩短，但是这些端粒在太空显著变长了。大部分端粒在斯科特回到地球后的两天内就缩短了，但谁也不知道这对他的长期健康意味着什么。研究人员还发现，无论是好是坏，斯科特有7%的基因似乎在表达方式上发生了改变，这一过程被称为表观遗传变异。这些基因与他的免疫系统、DNA修复、骨生成网络、氧气不足（缺氧）和过量的二氧化碳（高碳酸血症）有关。[25] 这在很大程度上是可以预期的，因为这是生物适应的一部分。
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到目前为止，两人相比较，除了斯科特的视力比马克差之外，几乎没有其他明显的负面健康影响。然而，斯科特估计他受到的辐射是地球上一个正常人的30倍，这将增加罹患致命癌症和早逝的风险。但是，他之所以同意在ISS执行为期1年的任务，是因为他相信，这是了解为期3年的火星任务的唯一途径。[26]
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NASA和ESA仍然致力于研究无保护太空旅行的健康后果，即长时间暴露在微重力和辐射下所引发的健康问 题。NASA有一个很大的专门研究健康问题的部门，叫作人类健康和表现理事会（Human Health and Performance Directorate，HH&P），2012年由太空生命科学理事会（Space Life Sciences Directorate，SLSD）更名而来。2007年，NASA与世界最大的生物医学研究资助机构——美国国家卫生研究院（US National Institutes of Health，NIH）签署了第一份谅解备忘录。谅解备忘录的目标之一是“开发用于地球和太空的生物医学研究方法和临床技术”。[27] 然而，美国国家卫生研究院资助的这些研究中，很少有真正完成的。一项研究发现，“微重力对组织细胞本身的影响可能导致免疫缺陷”。[28] 另一项研究发现，补充维生素K对防止骨质流失没有多大作用。[29] 其他的研究则探究了在微重力环境下可以进行的科学研究，比如DNA测序，尽管缺少实际应用，但证明是可行的。[30] 完成DNA测序的NASA宇航员凯特·鲁宾斯（Kate Rubins）将ISS的健康研究总结为，更好地了解骨骼、肌肉和神经的健康损害，以便通过锻炼或药物的方法，更有效地修复这些损害。[31]
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2017年，NASA和NIH以降低人类健康风险为更明确的目标，签署了新的谅解备忘录。但是人们必定会对这种策略提出质疑，因为人们不可能通过生物工程培育出能够承受微重力和空间辐射的超级人类，只有造出速度更快、有防护并且通过旋转产生人造重力的飞船，消除相关风险的时候，人类的太空移民才有可能实现。我们不是借助生物工程鳃才学会穿越海洋的。
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[1] Agence France Presse，“Astronaut Vision May Be Impaired by Spinal Fluid Changes，” November 28，2016，https：//www.yahoo.com/news/astronaut-vision-may-impaired-spinal-fluid-changes-study-191419024.html.
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[2] 即从视力1.0下降到0.2。——译注
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[3] Donna R.Roberts et al.，“Effects of Spaceflight on Astronaut Brain Structure as Indicated on MRI，” New England Journal of Medicine 377（2017）：1746-1753，doi：10.1056/NEJMoa1705129.
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[4] 第二个原因是费用。为了创造出0.5G且没有眩晕感的旋转，旋转轮需要很大，直径要超过200米，以每分钟1圈的速度旋转。但如果出于测试而不是终身居住的目的，重力设置为0.38G，转速为每分钟4圈，旋转轮就可以造得更小，因此也更便宜。
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